超導(dǎo)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景

1、 題目題目：超導(dǎo)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景超導(dǎo)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景 作者單位：陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院物理學(xué)一班 作者姓名：杜瑞，程琳，黨曉菲，閆甜，王福瓊，劉潔，劉園，郭麗麗 學(xué)號：40606043，40606042，40606044，40606045，40606046，40606047，40606048，40606049 指導(dǎo)教師：郭芳俠 交論文時間：20007-11-28 超導(dǎo)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景超導(dǎo)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景 （陜西師范大學(xué)物理學(xué)一班 第七組 710062） 摘要摘要：本文簡單介紹了一些與超導(dǎo)相關(guān)的概念，超導(dǎo)材料，超導(dǎo)的簡史，超導(dǎo)的研究現(xiàn)狀及對超導(dǎo)應(yīng)用的前景展望。

2、關(guān)鍵字關(guān)鍵字：超導(dǎo)，超導(dǎo)體，超導(dǎo)現(xiàn)象，超導(dǎo)材料，臨界參量，研究現(xiàn)狀，前景 Superconductivity research presentSuperconductivity research present situation and prospects for developmentsituation and prospects for development （ Shaanxi normal university physics one class Seventh group 710062） AbstractAbstract: This article simply introduce

3、d some and the superconductivity correlation concept, the superconductivity material, the superconductivity brief history, the superconductivity research present situation and to the superconductivity application prospect forecast. Keyword: superconductors, superconductors, superconductor, supercond

4、ucting materials, critical parameters 引言引言：某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時，它們的電阻率突然減小到無法測量的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體。 超導(dǎo)材料和常規(guī)導(dǎo)電材料的性能有很大的不同：零電阻性、完全抗磁性、約瑟夫森效應(yīng)。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來越引人注目的各類應(yīng)用的依據(jù)。 超導(dǎo)技術(shù)被認(rèn)為是 21 世紀(jì)最具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)目前已被廣泛用于超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、 超導(dǎo)電機、超導(dǎo)限流器、 超導(dǎo)磁分離器、超導(dǎo)磁共振成像（MRI）、超導(dǎo)儲能裝置、超導(dǎo)磁懸浮列車等應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)，在許多領(lǐng)域取得了

5、重大突破，具有十分廣闊的市場前景 超導(dǎo)簡介：超導(dǎo)簡介： 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料 具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有 28 種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。 特特性性 超導(dǎo)材料和常規(guī)導(dǎo)電材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。 零電阻性零電阻性：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實驗中觀察到。 完全抗磁性完全抗磁性：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場恒為零。 約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森效應(yīng)：兩超導(dǎo)材料之

6、間有一薄絕緣層（厚度約 1nm）而形成低電阻連接時，會有電子對穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓 U（也可加一電壓 U） ，同時，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波，其頻率為，其中 h 為普朗克常數(shù)，e 為電子電荷。 這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來越引人注目的各類應(yīng)用的依據(jù) 基本臨界參量基本臨界參量 有以下 3 個基本臨界參量。 臨界溫度臨界溫度:外磁場為零時超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度，以 Tc 表示。Tc 值因材料不同而異。已測得超導(dǎo)材料的最低 Tc 是鎢， 為 0.012K。 到 1987

7、 年， 臨界溫度最高值已提高到 100K左右。 臨界磁場臨界磁場：使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場強度，以 Hc 表示。Hc 與溫度 T 的關(guān)系為 Hc=H01-(T/Tc)2，式中 H0 為 0K 時的臨界磁場。 臨界電流和臨界電流密度臨界電流和臨界電流密度：通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時也會使超導(dǎo)態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以 Ic 表示。Ic 一般隨溫度和外磁場的增加而減少。單位截面積所承載的 Ic 稱為臨界電流密度，以Jc 表示 分類：分類： 超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。 超導(dǎo)元素超導(dǎo)元素：在常壓下有 28 種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（N

8、b）的 Tc最高， 為 9.26K。 電工中實際應(yīng)用的主要是鈮和鉛(Pb， Tc=7.201K)，已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高 Q 值諧振腔等。 合金材料：合金材料： 超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金(Nb-75Zr)，其 Tc 為10.8K，Hc 為 8.7 特。繼后發(fā)展了鈮鈦合金，雖然 Tc 稍低了些，但Hc 高得多，在給定磁場能承載更大電流。其性能是 Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc11.0 特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12 特(4.2K)。目前鈮鈦合金是用于 78 特磁場下的主要超導(dǎo)磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的

9、三元合金，性能進一步提高，Nb-60Ti-4Ta 的性能是，Tc9.9K，Hc=12.4 特（4.2K） ；Nb-70Ti-5Ta 的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8 特。 超導(dǎo)化合物超導(dǎo)化合物:超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。 如已大量使用的 Nb3Sn，其 Tc=18.1K，Hc=24.5 特。其他重要的超導(dǎo)化合物還有 V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24 特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。 超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)陶瓷：20 世紀(jì) 80 年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性，他們的小組對一些材料進行了試驗， 于 1986 年在鑭鋇銅氧化物

10、中發(fā)現(xiàn)了 Tc=35K 的超導(dǎo)電性。1987 年，中國、美國、日本等國科學(xué)家在鋇釔銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc 處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。 超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用材料的條件， 因而尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究的重要課題。 以 Tc 為例， 從 1911 年荷蘭物理學(xué)家 H.開默林昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986 年以前，人們發(fā)現(xiàn)的最高的 Tc 才達(dá)到 23.2K(Nb3Ge，1973)。1986 年瑞士物理學(xué)家 K.A.米勒和聯(lián)邦德國物理學(xué)家 J.G.貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了氧化物陶瓷材料的超導(dǎo)電性，從而將 Tc 提高到 35K。之后僅

11、一年時間，新材料的 Tc 已提高到 100K 左右。這種突破為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨也因此榮獲 1987 年諾貝爾物理學(xué)獎金。 超導(dǎo)的研究現(xiàn)狀超導(dǎo)的研究現(xiàn)狀： 1911 年年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯(18531926)發(fā)現(xiàn)，水銀的電阻率并不象預(yù)料的那樣隨溫度降低逐漸減小， 而是當(dāng)溫度降到 4.15K 附近時，水銀的電阻突然降到零。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時， 它們的電阻率突然減小到無法測量的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體。超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為這種物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度(或臨界溫度)TC?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬元素以

12、及數(shù)以千計的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導(dǎo)性。如鎢的轉(zhuǎn)變溫度為 0.012K，鋅為 0.75K，鋁為 1.196K，鉛為 7.193K。超導(dǎo)體得天獨厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。人們一直在探索高溫超導(dǎo)體，從 1911 年到 1986 年，75 年間從水銀的 42K 提高到鈮三鍺的2322K，才提高了 19K。 1986 年年，高溫超導(dǎo)體的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對象，以尋找高臨界溫度超導(dǎo)體為目標(biāo)的“超導(dǎo)熱”。全世界有 260 多個實驗小組參加了這場競賽 。 同年 1 月，

13、美國國際商用機器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實驗室科學(xué)家柏諾茲和繆勒首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導(dǎo)體， 將超導(dǎo)溫度提高到 30K； 緊接著，日本東京大學(xué)工學(xué)部又將超導(dǎo)溫度提高到 37K；12 月 30 日，美國休斯敦大學(xué)宣布，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武又將超導(dǎo)溫度提高到 40 2K。 1987年年1月初， 日本川崎國立分子研究所將超導(dǎo)溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導(dǎo)溫度提高到 46K 和 53K。中國科學(xué)院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了 486K 的鍶鑭銅氧系超導(dǎo)體，并看到這類物質(zhì)有在 70K 發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象。2月 15 日美國報道朱經(jīng)武、吳茂昆獲得了 98K 超導(dǎo)體。2 月

14、20 日，中國也宣布發(fā)現(xiàn) 100K 以上超導(dǎo)體。3 月 3 日，日本宣布發(fā)現(xiàn) 123K超導(dǎo)體。 3 月 12 日中國北京大學(xué)成功地用液氮進行超導(dǎo)磁懸浮實驗。3 月 27 日美國華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導(dǎo)材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K 的超導(dǎo)跡象。很快日本鹿兒島大學(xué)工學(xué)部發(fā)現(xiàn)由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在 14溫度下存在超導(dǎo)跡象。高溫超導(dǎo)體的巨大突破，以液態(tài)氮代替液態(tài)氦作超導(dǎo)制冷劑獲得超導(dǎo)體，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。氮是空氣的主要成分，液氮制冷機的效率比液氦至少高 10 倍， 所以液氮的價格實際僅相當(dāng)于液氦的 1100。 液氮制冷設(shè)備簡單，因此，現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體雖然還必須用液氮冷卻，但卻被

15、認(rèn)為是 20 世紀(jì)科學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。 1991 年年 3 月月 日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一個超導(dǎo)磁體。 1991 年年 10 月月 日本原子能研究所和東芝公司共同研制成核聚變堆用的新型超導(dǎo)線圈。該線圈電流密度達(dá)到每平方毫米 40 安培，為過去的 3 倍多，達(dá)到世界最高水準(zhǔn)。該研究所把這個線圈大型化后提供給國際熱核聚變堆使用。 這個新型磁體使用的超導(dǎo)材料是鈮和錫的化合物。 1992 年年 1 月月 27 日日 第一艘由日本船舶和海洋基金會建造的超導(dǎo)船“大和”1 號在日本神戶下水試航。超導(dǎo)船由船上的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強磁場，船兩側(cè)的正負(fù)電極使水中電流從船的一側(cè)向另一側(cè)流動，磁場和電流之間

16、的洛化茲力驅(qū)動船舶高速前進。 這種高速超導(dǎo)船直到目前尚未進入實用化階段，但實驗證明，這種船舶有可能引發(fā)船舶工業(yè)爆發(fā)一次革命，就像當(dāng)年富爾頓發(fā)明輪船最后取代了帆船那樣。 1992 年年 一個以巨型超導(dǎo)磁體為主的超導(dǎo)超級對撞機特大型設(shè)備，于美國得克薩斯州建成并投入使用，耗資超過 82 億美元。 1996 年 改進高溫超導(dǎo)電線的研究工作取得進展， 制成了第一條地下輸電電纜。歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導(dǎo)體公司和舊金山的電力研究所的工人，共同把 6000 米長的鉍、鍶、鈣、銅和氧制成的線纏繞到一根保持超導(dǎo)溫度的液氮的空管子上。 2001 年年 4 月月，340 米鉍系高溫超導(dǎo)線在清華大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)

17、研究中心研制成功，并于年末建成第一條鉍系高溫線材生產(chǎn)線。 2001 年年 5 月月， 北京有色金屬研究總院采用自行設(shè)計研制的設(shè)備，成功地制備出國內(nèi)最大面積的高質(zhì)量雙面釔鋇銅氧超導(dǎo)薄膜， 達(dá)到國際同類材料的先進水平 2001 年年 7 月月，香港科技大學(xué)宣布成功開發(fā)出全球最細(xì)的納米超導(dǎo)線。 目前目前，我國超導(dǎo)臨界溫度已提高到零下 120 攝氏度即 153K 左右 。 目前高溫超導(dǎo)材料目前高溫超導(dǎo)材料指的是：釔系（92 K） 、鉍系（110K） 、鉈系（125K）和汞系（135K）以及 2001 年 1 月發(fā)現(xiàn)的新型超導(dǎo)體二硼化鎂（39K） 。其中最有實用前途的是鉍系、釔系（YBCO）和二硼化鎂（

18、MgB2） 。 氧化物高溫超導(dǎo)材料是以銅氧化物為組分的具有鈣欽礦層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物質(zhì)， 在正常態(tài)它們都是不良導(dǎo)體。 同低溫超導(dǎo)體相比，高溫超導(dǎo)材料具有明顯的各向異性， 在垂直和平行于銅氧結(jié)構(gòu)層方向上的物理性質(zhì)差別很大。高溫超導(dǎo)體屬于非理想的第 II 類超導(dǎo)體，且具有比低溫超導(dǎo)體更高的臨界磁場和臨界電流， 因此是更接近于實用的超導(dǎo)材料，特別是在低溫下的性能比傳統(tǒng)超導(dǎo)體高得多。 1.高溫超導(dǎo)線帶材高溫超導(dǎo)線帶材 高溫超導(dǎo)體在強電方面眾多的潛在應(yīng)用 （如：磁體、 電纜、 限流器、電機等）都需要研究和開發(fā)高性能的長線帶材（千米量級） 。所以，人們先后在 YBCO、BSCCO 及 MgB2 線材帶化實用化

19、方面做了大量的工作。目前已在 Bi 系 Ag 基復(fù)合帶線材、鐵基 MgB2 線材和柔性金屬基 Y 系帶材方面取得了很大進展。 A. 第一代第一代 Bi 系高溫超導(dǎo)線材系高溫超導(dǎo)線材 BSCCO 超導(dǎo)體晶粒的層狀化結(jié)構(gòu)使得人們能夠利用機械變形和熱處理來獲得具有較好晶體取向的 Bi 系線帶材，即把 Bi（Pb）-Sr-Ca-Cu-O 粉裝入金屬管（Ag 或 Ag 合金）中進行加工和熱處理的方法。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，利用這種方法，已經(jīng)開發(fā)出長度為千米級的鉍系多芯超導(dǎo)線材。美國、日本、德國、中國等國已具備生產(chǎn)幾百米到上千米的批量能力。 可以說， 鉍系高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流密度、長度已經(jīng)基本上達(dá)到了電力應(yīng)

20、用的要求， 而其價格對于限流器應(yīng)用來說也基本滿足要求，從而為開展強電應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。因此，各國都已大力開展有關(guān)超導(dǎo)磁體、輸電電纜、超導(dǎo)變壓器和故障限流器等方面的應(yīng)用研究。 B. 第二代第二代 YBCO 高溫超導(dǎo)帶材高溫超導(dǎo)帶材 由于第一代 Bi 系帶材的高成本以及它的一些性能問題如磁場下臨界電流的急劇衰減等， 使得基于它的超導(dǎo)技術(shù)在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用前景變得渺茫。超導(dǎo)界不得不將研究重點轉(zhuǎn)移到開發(fā)基于 YBCO 體系的第二代高溫超導(dǎo)帶材上來，因為 YBCO 具有更為優(yōu)異的磁場下性能，是真正的液氮溫區(qū)下強電應(yīng)用的超導(dǎo)材料。 與 Bi 系相比，YBCO 的各向異性比較弱，可以在液氮溫區(qū)附近較高磁

21、場下有較大臨界電流密度，但由于晶粒間結(jié)合較弱，難以采用裝管法制備。采用沉積、噴涂等鍍膜方法制備釔系超導(dǎo)帶材是當(dāng)前高溫超導(dǎo)強電應(yīng)用材料研究的重點。近年來，采用 IBAD/PLD 和RABiTS/PLD (MOCVD 或 MOD)復(fù)合技術(shù)制備涂層帶材已取得重大進展。如日本 ISTEC 公司已制備出 212 米長，臨界電流達(dá) 245 A 的第二代帶材。美國、德國等也已制備出百米量級的 YBCO 帶材。 C. 新型新型 MgB2 超導(dǎo)線帶材超導(dǎo)線帶材 2001 年 1 月，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變溫度為 39 K 的 MgB2 超導(dǎo)體，引起了全世界的廣泛關(guān)注。綜合制冷成本和材料成本，MgB2超導(dǎo)體在

22、2030 K，低場條件下應(yīng)用具有明顯的價格優(yōu)勢，尤其是在工作磁場 12 T 的核磁共振成像 MRI 磁體領(lǐng)域。這也是國際 MgB2超導(dǎo)體應(yīng)用研究持續(xù)升溫的關(guān)鍵原因之一。 近幾年來近幾年來已經(jīng)用各種方法制備了 MgB2 線帶材。目前的研究集中在粉末裝管技術(shù)， 這是因為裝管工藝能很容易推廣到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中。 美國、 日本以及歐洲在線材實用化方面， 進行了大量出色的工作，已能生產(chǎn)百米量級的線帶材。 目前目前國內(nèi)從事 MgB2 帶材研究和開發(fā)的單位主要有西北有色金屬研究院和中科院電工研究所等。特別是近年來，電工所在 MgB2 帶材制備技術(shù)、摻雜及元素替代等方面開展了大量工作，如在國際上首次報道了采用

23、 ZrSi2、 ZrB2 和 WSi2 化合物摻雜大幅度提高 MgB2/Fe 線帶材臨界電流密度的新方法， 開辟了在高磁場中獲高臨界電流密度的新途徑。 最近最近， 中科院電工所在較低的制備條件要求下， 通過納米 SiC 和 C摻雜制備了臨界電流密度達(dá)世界先進水平的 MgB2 線帶材， 并在世界上首次證明，對于 MgB2 材料，摻雜 C 可以得到和摻雜 SiC 一樣優(yōu)異的臨界電流密度。 這些研究成果標(biāo)志著我國在改善 MgB2 高場超導(dǎo)性能領(lǐng)域達(dá)到了國際先進水平。另外，電工所在國際上首次將強磁場熱處理技術(shù)應(yīng)用于 MgB2 超導(dǎo)體制備過程，并用這種方法進行了MgB2 超導(dǎo)體的摻雜和改性實驗，改進了

24、MgB2 在強磁場下的超導(dǎo)性能，同時還利用制備的 MgB2 長線材開展了線圈繞制、測試等 MRI磁體前期研究工作。 2.超導(dǎo)塊材超導(dǎo)塊材 研究 YBCO 超導(dǎo)塊材的目標(biāo)之一是利用它在超導(dǎo)態(tài)下的邁斯納效應(yīng)及磁通釘扎特性導(dǎo)致的磁懸浮力，應(yīng)用于超導(dǎo)軸承、貯能以及磁浮列車等。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，高臨界溫度氧化物超導(dǎo)塊材取得了很大的進展，主要表現(xiàn)在臨界電流密度的提高上。1988 年，熔融織構(gòu)工藝首先在臨界電流密度提高方面取得了突破， 隨后又相繼發(fā)展出液相處理法、淬火熔融生長和粉末熔化處理等熔化工藝。 3.薄膜薄膜 自從高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以來，人們對高溫超導(dǎo)薄膜的制備與研究都給予了極大的重視，特別是液氮溫度以上

25、的高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，使人們看到了廣泛利用超導(dǎo)電子器件優(yōu)良性能的可能性。 想得到性能優(yōu)良的高溫超導(dǎo)器件就必須有質(zhì)量很好的薄膜， 但由于種種因素使制備高質(zhì)量高 Tc 超導(dǎo)薄膜具有相當(dāng)大的困難。盡管如此，通過各國科學(xué)家十幾年來堅持不懈的努力，已取得了很大的進展，高質(zhì)量的外延YBCO 薄膜的 Tc 在 90K 以上，零磁場下 77K 時，臨界電流密度已超過 1 106A/cm2，工藝已基本成熟，并有了一批高溫超導(dǎo)薄膜電子器件問世。 超導(dǎo)的前景展望超導(dǎo)的前景展望： 由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性， 因此用途非常廣闊，大致可分為三類：電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）、大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）和抗磁性

26、應(yīng)用。電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)微波器、超導(dǎo)計算機、超導(dǎo)天線等；大電流應(yīng)用即超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。 高溫超導(dǎo)濾波器高溫超導(dǎo)濾波器 高溫超導(dǎo)材料的微波電阻比傳統(tǒng)金屬材料小 3 個數(shù)量級左右，用高溫超導(dǎo)制造的濾波器插入損耗極?。ú鍝p0.1dB），通帶帶邊陡峭（較傳統(tǒng)濾波器提高 5-10 倍）、帶外抑制性好，具有十分理想的濾波性能。 超導(dǎo)計算機超導(dǎo)計算機 高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來

27、制作， 不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。 超導(dǎo)發(fā)電機超導(dǎo)發(fā)電機 國際上認(rèn)為，超導(dǎo)同步發(fā)電機是未來電站的主力，并爭相開展研制工作已研制 完成的最大容量的為前蘇聯(lián)和法國的 30 萬千瓦發(fā)電機美國和日本并不急于開發(fā)百萬 千瓦級的發(fā)電機， 他們已研制完成的發(fā)電機容量分別為 3 萬千瓦和 5 萬千瓦 日本計劃 研制國內(nèi)最大的 20 萬千瓦的發(fā)電機 發(fā)電站的容量隨著電力需求的增長而增長，因此，大功率、長距離、低損耗的輸 電技術(shù)對提高輸電的經(jīng)濟效益是十分重要的，而超導(dǎo)體具有零電阻的特性，可以輸送 極大的電流和功率而沒

28、有電功率損耗，因此超導(dǎo)輸電系統(tǒng)必將帶來大的改觀在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到 5 萬6 萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導(dǎo)發(fā)電機。 超導(dǎo)發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高 510 倍，達(dá) 1 萬兆瓦，而體積卻減少 1/2，整機重量減輕 1/3，發(fā)電效率提高 50。 磁流體發(fā)電機磁流體發(fā)電機 磁流體發(fā)電機同樣離不開超導(dǎo)強磁體的幫助。 磁流體發(fā)電發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）作導(dǎo)體，并高速通過磁場強度為 5 萬6 萬高斯的強磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。 超導(dǎo)輸電線路 超導(dǎo)材料還可以用于制作

29、超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器， 從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。 據(jù)統(tǒng)計， 目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有 15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá) 1000 多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。 超導(dǎo)磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車 當(dāng)今世界， 提高陸路交通工具的速度對促進國家經(jīng)濟發(fā)展和改善人們生活質(zhì)量是十分重要的 傳統(tǒng)的鐵路車輛由于車輪和鐵軌磨損嚴(yán)重，以及車輪與鐵軌的摩擦力，限制了車速這種機車目前設(shè)計速度最高可達(dá) 274 公里/小時，運行平均速度為 209公 里/小時，在本世紀(jì) 60 年代，法國、英國和美國又生產(chǎn)出有軌的氣墊機車，城市間運 行速度可達(dá) 160 公

30、里/小時然而，由于人們對磁懸浮興趣的增長，現(xiàn)在氣墊機車的發(fā)展已陷于停頓狀態(tài)利用超導(dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。 日本人設(shè)計一種電動懸掛系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了由液氦冷卻的 (269)鈮等超導(dǎo) 物質(zhì)做成的超導(dǎo)磁體，在 296下它的電阻為零， 利用超導(dǎo)磁體的排斥力， 從而使 軌道與列車之間形成 1015厘米的空隙 一個小型示范性模型列車創(chuàng)造了 517 公里/小時的世界記錄，其試驗軌道長 6.5 公里，使用的超導(dǎo)材料是 NbTi，在液氦下冷卻到 5K 磁懸

31、浮列車與傳統(tǒng)列車相比有一系列的優(yōu)點：克服了傳統(tǒng)列車對速度的限制；非接觸的運行克服了惡劣氣候(如：雨、雪或冰)的障礙；采用非接觸運行，沒有機械磨損，減少了維修成本；由于沒有運動部件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性；由于只用電能， 對于石油供應(yīng)緊張的國家更有意義；可節(jié)省能源 1 人公里消耗能源只是飛機或汽車 的 1/4；速度極大提高，增加了運送旅客的能力，具有很大的潛在市場；大幅度地降 低了噪聲和振動，有利于保護環(huán)境 核聚變反應(yīng)堆核聚變反應(yīng)堆 磁封閉體磁封閉體 核聚變反應(yīng)核聚變反應(yīng)時， 內(nèi)部溫度高達(dá) 1 億2 億，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強磁場可以作為磁封閉體，將熱核反應(yīng)堆中的超高

32、溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為 21 世紀(jì)前景廣闊的新能源。 粒子加速器粒子加速器是研究宇宙和物質(zhì)基本問題的主要設(shè)備， 美國在加速器的建造方面走在世界最前列隨著超導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在 1988 年美國國家科學(xué)基金會批準(zhǔn)了建造至 今為止功能最強的粒子加速器超級超導(dǎo)對撞機(SSC)計劃，3 年財政預(yù)算達(dá) 32 億美 元計劃1999 年將超級超導(dǎo)對撞機投入運行超級超導(dǎo)對撞機相當(dāng)龐大，在地下鋪設(shè) 了長度為 53 英里的環(huán)形管道超級超導(dǎo)對撞機將把相向的兩個質(zhì)子束加速到光速的 99 .9% 以上的速度，超導(dǎo)磁體使質(zhì)子束彎曲和聚焦以通過彎曲的路徑，超導(dǎo)磁體要比普 通鐵磁體生產(chǎn)

33、更強的磁場，使質(zhì)子束行進的曲率半徑更小，這樣就使環(huán)形管道的尺寸小型化 在國防系統(tǒng)方面在國防系統(tǒng)方面， 超導(dǎo)技術(shù)在軍事上也可大顯身手 在弱電方面，用于水下通信、 潛艇探測、遙感、掃雷等；制成高頻微波器件、紅外探測器，用于雷達(dá)、微波通信及 地面衛(wèi)星接收機；超導(dǎo)天線及饋線系統(tǒng)，用于導(dǎo)彈和衛(wèi)星；數(shù)字信號和數(shù)據(jù)處理器等 在強電方面，主要是利用高電流密度超導(dǎo)材料所產(chǎn)生的強磁場及超導(dǎo)儲能線圈可以存 儲大量能量的特性作為武器的能源，這樣可以減少儲能設(shè)備的尺寸和重量美國的“ 星球大戰(zhàn)”計劃中投入 5000 萬美元進行這方面的研究研究中使用的低溫超導(dǎo)磁體， 估計其儲能密度相當(dāng)高，在微微秒時間內(nèi)釋放出來 超導(dǎo)強磁體

34、用于艦船推進系統(tǒng)美國已用低溫超導(dǎo)材料制造出試驗性的 3 兆瓦直流電機， 用于艦船推進系統(tǒng)并在海中進行了試驗該電機比相同功率傳統(tǒng)空冷電機小 33 %實際上，利用低溫超導(dǎo)材料及當(dāng)前的技術(shù)可以使電機的重量進一步減小， 例如一臺具有 3 萬千瓦的超導(dǎo)單極直流電機僅為現(xiàn)在同樣功率的交流電機重量的四分之一 美國正在研制這類規(guī)模的超導(dǎo)電機，日本也在進行小模型的試驗研究 超導(dǎo)電子軌道炮美國的“星球大戰(zhàn)”計劃組織支持了該項技術(shù)的研究 軌道炮 技術(shù)是作為射彈加速器來使用的，它能使拋射物達(dá)到極高的速度這種拋射系統(tǒng)不同 于化學(xué)推進系統(tǒng)， 前者可達(dá)到的末端點的速度不受氣體膨脹速度限制而由行進的電磁 脈沖的速度決定，因此

35、可達(dá)到很高的速度 高溫超導(dǎo)的應(yīng)用大多是低溫超導(dǎo)應(yīng)用的延伸， 即當(dāng)前已實用的或可預(yù)見年份實用 的低溫超導(dǎo)設(shè)備與器件中的低溫超導(dǎo)材料用高溫超導(dǎo)材料替代， 以降低成本，擴大超導(dǎo)的應(yīng)用范圍但高溫超導(dǎo)應(yīng)用遇到的問題較多，現(xiàn)在仍是物理學(xué)前沿陣地的富有挑 戰(zhàn)性的研究課題 根據(jù)世界銀行預(yù)測，2020 年，全球超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到 2400 億美元以上 經(jīng)過國內(nèi)外科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界十幾年的努力， 超導(dǎo)技術(shù)： 在多個領(lǐng)域已開發(fā)出實用化樣機并投入試驗運行； 各國都啟動了政府和企業(yè)共同支持的應(yīng)用項目； 高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)廠家競相投資，擴大生產(chǎn)能力；專家認(rèn)為，到 2004 年，超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)進入高增長時期。 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)： 1

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